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在不影响功率预算的情况下提升便携医疗装置的性能
作者:Maxim Integrated公司
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医疗设备/医疗器械展厅
B超诊断仪, 心电图仪, CT机, 眼科设备, 裂隙灯, ...
引言

全球范围内有很高比例的成人需要定期监测个人生命体征(即血糖、血压、血氧饱和度)。自然而然地,我们看到对便携式医疗装置的需求越来越旺盛,这种医疗装置可实现上述任务,甚至集成更多功能。而且这种趋势不会停止。

体积、重量、可靠性、安全性以及功耗是设计现代化便携式医疗装置的关键因素。现在典型的便携式医疗装置一般需要多种宏模块:处理电源的电源管理电路,无论是一次性还是可充电电池;模拟前端(AFE),用于将传感器的信号调制并转换为数字信号;微控制器,用于对采集信号执行数学计算,在集成LCD屏幕上显示信息,或者将数据发送至有线/无线装置。实现所有这些功能一般需要使用不同的分离式器件。

高效的电源管理对这些便携式装置至关重要。本文介绍一款单片低功耗片上系统(SoC),既适合用于使用一次性电池(纽扣电池或碱性电池)的便携式医疗装置,又适合用于使用可充电电池供电的医疗装置。我们还将讨论第二款设计,其中可增加电源管理IC (PMIC),以支持附加装置功能。

在介绍这两种方案之前,我们需要首先了解典型的分立式设计。然后讨论转向集成式方案、在不影响功率预算的情况下提高性能所带来的好处。我们也研究节省空间、最大化功率利用、利用USB连接提高安全性的新型集成电路。我们也将了解一下将现代化便携式医疗装置连接至智能电话是多么简单,以及如何扩展应用范围和使用看起来无限的数据。

分立式方案的复杂性、成本和空间

我们的讨论首先从简单回顾分立式电源方案的典型功能方框图开始(图1)。电池管理电路包括电池隔离器、电池充电器、电量计、背光照明电源以及线性/开关稳压器。AFE通常要求ADC、DAC、运放、比较器、模拟开关和电压基准。使用如此多的分立式器件会潜在影响系统可靠性,同时也毫无疑问地增加成本和电路板空间。

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图1. 便携式医疗设备中使用众多分立式元件的基本电源方案方框图

集成式方案具有较高性能

现在,有一种新型双芯片集成式方案,包括微控制器SoC和PMIC,提高总体性能(图2)。我们接下来将介绍SOC和PMIC。

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图2. 使用MAX32600微控制器SoC和PMIC的集成式方案简化设计并提高性能

安全的医疗微控制器SoC

MAX32600微控制器SoC(图3)基于Cortex M3核心,具有高性能模拟前端(AFE),集成先进的安全信赖保护,不同于竞争对手的电源方案。有线和无线通信接口为用户将医疗装置连接至其它便携式主机,例如PDA或智能手机,提供了多种选择。

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图3. 高度集成的微控制器SoC优化用于便携式医疗设备,具有AFE和信赖保护单元的高安全性。
有线外设提高了系统灵活性,多种电源管理模式节省功耗。

AFE管理模拟功能

AFE核包括一个SAR ADC,ADC具有500ksps高采样率和16位分辨率,在输入信号带宽受限的情况下,能够通过过采样和平均方法提高分辨率。实际上,过采样和平均法提高了SNR,从而获得附加分辨率位数。对于每个附加分辨率位,必须以因子4对信号进行过采样。

fOS = 4w × fS (式1)

式中:

w为相应附加分辨率位的数量
fS 为相应的原始采样频率
fOS为过采样频率

ADC可配置为以一定间隔收集阵发数据;通过存储器直接访问(DMA)将数据保存至SRAM;然后唤醒处理器。ADC的接口提供可编程阵发采样率(TS独立于TS_avg )以及可编程平均阵发长度(2、4、8、16、32、64、128)。

通过可配置的单端/差分多路复用器,可以选择输入信号类型。ADC前端为差分放大器,具有可编程增益:1、2和4。基准电压可设置为1.0V、1.5V、2.0V和2.5V,将动态范围最大化。四个具有比较器模式的不限特定用途运放和四个SPST开关可用于附加信号调理。

两个12位DAC、两个8位DAC、一个附加电压基准(与前一个相同,也可编程)、一个温度传感器(可使用内部或外部PN结)以及用于驱动LED的可编程流入电流源进一步完善模拟设计。

插值滤波器(1:2、1:4和1:8) (图4)可用于12位DAC和8位DAC,以提高动态性能、降低总线带宽。

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图4. 插值滤波器提高DAC的动态性能

可以将DAC码型的开始与ADC采样同步,有利于使用数字波形合成和同步电路(用于相干波形发生和ADC数据捕获)测量阻抗(图5)。

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图5. 用于阻抗测量的信号处理方框图

信赖保护单元提供必不可少的安全性

嵌入式安全对于保护医疗装置的数据完整性至关重要。闪存和SRAM可利用内部电池备份存储器中的密钥进行加密,从而保护SoC固件。通过嵌入式加密电路提供器件安全认证,适合于对称和非对称加密方法。

关于嵌入式安全、加密、私钥和公钥的著作有很多,此处不再赘述。我们想强调的是MAX32600支持AES加密和ECDSA安全认证1。触发集成式动态篡改检测器时,系统的公钥和私钥将被销毁。系统的FIPS认证伪随机数发生器可经受和防止安全攻击。使用独立的内部异步环形振荡器防止定时攻击。

低功耗至关重要

多种集成方法节省功耗。SoC采用低至2.2V的电压工作,对于使用一次性电池供电的便携式医疗装置,这是一项非常大的好处。嵌入式内核在24MHz时的工作电流为175μA/MHz,具有使能实时时钟(RTC)的1.8μA低功耗模式,具有多种节省功耗的电源管理模式。关断处于非工作状态外设的选项甚至可节省更多功耗。

6通道DMA控制器支持外设在微控制器处于休眠模式时工作。在这种方式下,ADC可设置为扫描输入通道、捕获数据,只在需要处理时唤醒内核。

有线外设增加接口灵活性

嵌入式外设提供实现便携式医疗装置所需的全部功能。带有物理接口(PHY)的USB 2.0全速控制器允许直接连接USB电缆,降低电路板空间和总体系统成本。集成电压调节器支持在连接至USB主机时在主电源和VBUS之间智能切换。该功能对于VDD电源为电池的系统尤其有利。

多达三个SPI主机UART支持与多个外设从机进行同步通信,数据传输可达到高达24MHz。DMA具有发送和接收缓冲器。两个I2C总线主机/从机接口支持与各种各样支持I2C接口的外设进行通信。支持主机和从机协议。两个同步/异步接收器/发送器(USART)端口支持全双工异步或半双工同步通信。

可选无线外设增加无外部线缆连通性

Bluetooth v4.0低功耗从机覆盖2.400GHz至2.4832 GHz RF频率范围,可用于连接人工胰腺应用中的血糖传感器和胰岛素泵。

ISM四频段收发器(315、433、868和915MHz)支持FFSK、FMSK、AFSK调制,以及多种带有快速唤醒的休眠模式。

电源方案增加了可充电医疗装置的安全性且节省空间

我们现在讨论由外部可充电电源供电的便携式医疗装置。MAX14663 PMIC (图6)集成锂离子(Li+)开关充电器,是针对空间受限便携式医疗装置进行优化的电源方案;与MAX32600微控制器SoC配合使用时,最大限度提高功率,节省宝贵的设计空间,以及增加附加功能。我们在上文中已经介绍了MAX32600 SoC,现在我们讨论MAX14663的电池管理和USB连接功能。

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图6. BGM优化电源方案,带有电缆检测功能

整体电池功能

电池密封保证长时间供电

便携式医疗设备必须保证可靠充电,随时备用。所以,设计重点是在装置的“保存期”内保证有电。MAX14663集成关断电池的开关,保证其断开,直到最终用户首次打开医疗装置。例如,生产阶段结束时,可利用I2C命令或正确的SEAL引脚连接将电池断开,从而防止设备保存期内放电。

只需激活连接至KIN输入的按钮或者连接至USB主机,即可重新连接电池(图7)。

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图7. MAX14663中的电池密封功能与隔离开关配合,保存电池电量

电量计准确指示充电状态

集成式电量计基于ModelGauge技术,仅利用电压信息提供电池的充电状态(SOC);使用非常详尽、非线性电池模型,可高精度监测充电和电池行为。为正确操作,必须将Maxim在工厂进行特征分析后提供的电池模型装载至器件的内部易失存储器。

图8所示为ModelGauge技术的性能。随机时间长度的随机负载过程和充电过程显示电池SOC上升和下降。绿线为参考SOC,红线为ModelGauge指示的SOC。您可以看到绿线和红线很难区分,实际上这两条线几乎完全相同。两条曲线之间的差异用黑线表示,由右侧的误差轴Y读数。

这些数据表明,ModelGauge电量计的误差与加热法相似,误差在0%附近上下移动,不同于库伦计数器等累积方法。

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图8. 充电状态(SOC)与时间的关系。数据表明,ModelGauge技术不随时间累积误差

电量计工作电流为23μA;充电/放电率较低时,电量计自动进入4μA深度休眠模式。这种后台模式不会牺牲电量计精度。通过允许系统完全关断,甚至关断一些振荡器,利用报警降低系统功耗,以及达到这种4μA后台模式。电量计采用报警唤醒所有电路。

电池充电器最大程度降低功率损耗

开关模式电池充电器将功耗降至最低。充电期间,该功能可防止PCB热点,否则在必须测量对温度非常敏感的小信号时会影响精度。

根据工作模式调节电流:

●预充模式。电池电压低于预充门限电压(可通过I2C在2.4V至3.1V范围内设置)时,将电流限制到小于0.1C。

●快充模式。在CC/CV模式下,根据设置的快充电流调节电流,范围为50mA至500mA,步长为25mA。

●自动停止模式。如果设置了自动模式,将在达到设定的恒压(3.5V至4.4V)以及电流下降至设定值(12.5mA至150mA)时停止充电。也可以利用I2C命令停止充电。

充电器也通过电池热敏电阻监测电池温度。温度信息可用于实施JEITA建议,为了安全起见而根据电池温度更改终止电压和快充电流(图9)。

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图9. 按照JEITA建议,根据电池温度更改充电电流和终止电压

电源选择器延长电池寿命

当VB在可接受范围之内时,系统电压来自于USB;无VB时,系统电压来自于电池。该操作是自动完成的。

升压调节器允许直接连接WLED灯串和OLED显示屏

基于电感的升压转换器可产生OLED显示屏或用于LCD背光照明的白光LED灯串所需的高电压。输出电压可通过I2C在6V至17V范围内调节,步长为1V。真关断开关将负载彻底断开,将耗流降至最小。

独立调节LED灯串电流的流入电流源

三个独立的线性电流调节器可直接连接至升压转换器产生的电压。此时,电流可调节至高达32.5mA,分为25级。PWM信号可用于调光(图10)。

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图10. 来自于流入电流源的电流可分25级进行调节

内置ESD反向电压和过压保护确保系统安全

系统(图11)具有反向电压保护(RVP),可预防VBUS上高达-5.5V的电压,以及防止高达28V的过压(OVP)。该保护功能可防止伪劣电池充电器试图使用USB接口而损坏设备。系统电压调节至5V;对于最高6.6V的VBUS电压,可正常工作。如果VBUS电压上升至这些门限以上,则自动断开系统电压,以保护设备。

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图11. 内置ESD反向电压和过压保护

参见图11,VB、DP和DM引脚上具有±15kV ESD保护(HBM)。USB侧的另一项功能是电缆检测。上行端口为OFF时,因而表示VBUS未出现或者电缆仅连接至设备侧时,系统将检测电缆插入。

当未出现VBUS时,通过注入小电流,然后测量电缆电容和连接至上行端口的电容,实现电缆检测。可通过I2C设置检测门限,以适应不同的PCB布局和连接器类型。

总结

我们开篇首先陈述了数以百万计的人需要监测其个人生命体征。显而易见,人们需要有工具能够随时随地进行检查。所以人们寻求更便携的医疗装置的出现就毫不奇怪了:这种医疗装置小巧、高精度、电源效率高。

我们在本文中重点关注了用于现代化便携式医疗装置的高效电源管理系统。我们讨论了两款器件。我们首先介绍了低功耗、医疗微控制器片上系统(SoC,MAX32600),该器件集成了执行模拟功能的AFE和用于高级数据安全性的信赖保护单元。该器件适合于使用一次性电池(纽扣电池或碱性电池)作为电源的便携式医疗装置。我们也介绍了利用可充电电池供电的医疗装置。该系统使用带有微控制器SoC的PMIC (MAX14663),将电源效率最大化,节省宝贵的设计空间,并增加电池管理和USB安全性等附加功能。

这些新集成电路将电源效率最大化,提高灵活性,有利于可扩展方案,而无需大的架构变化。例如,您可增加可选的无线外设,用于连接至智能手机。一旦实现以上功能,即可充分利用智能手机的日常优势,实现更多的便携式医疗应用。

最后,我们讨论了高度集成相对于使用众多分立式元件的传统电源方案的优势。除了空间和成本节省方面的明显优势外,较少的分立式元件也意味着方案更可靠,既有利于制造商也有利于最终用户——您和我。
文章内容仅供参考 (投稿) (2015-8-23)
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